專利名稱：可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)器人機(jī)械臂，尤其涉及的是一種可感知碰撞的采摘機(jī)器人
伸縮臂。
背景技術(shù)：
自1883年第一臺西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)歷經(jīng)了近30年的時間。在國外，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、 西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。日本Kondo-N等人研制的西紅柿采摘機(jī)器手具有七個自由度， 具有一定的避障能力。Johan Baeten和Sven Boedri j等人研制的蘋果采摘機(jī)器人，將工業(yè)機(jī)器人的六自由度手臂安裝于可水平和豎直移動的架子上，再由一臺拖拉機(jī)牽引在果園里移動。法國一家公司開發(fā)了一臺蘋果采摘機(jī)器人，其利用液壓作為動力，機(jī)器人工作空間有限。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機(jī)器人的研究，浙江大學(xué)對七自由度番茄收獲機(jī)械手進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計研究等。目前國內(nèi)外對于采摘機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)主要采用二種類型，第一種類型就是直接借用工業(yè)機(jī)械臂形式。第二種是基于避障而采用的冗余自由度機(jī)械臂。無論哪種類型，其機(jī)器人的關(guān)節(jié)類型多采用轉(zhuǎn)動形式，而在實際的機(jī)器人采摘作業(yè)中，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂動作時，在果樹內(nèi)掃過的面積是一個扇面，而移動關(guān)節(jié)臂的伸縮只是一條直線，相比而言，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)臂增大了采摘機(jī)器人機(jī)械臂與果樹枝葉的碰撞幾率，降低了機(jī)器人的避障能力，增加了采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制的難度，所以在保證采摘功能的前提下，機(jī)械臂的后關(guān)節(jié)采用移動關(guān)節(jié)具有更優(yōu)的性能，另外，目前用來感知外部環(huán)境信息的傳感器大都裝在機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，在機(jī)械臂上安裝的很少，而機(jī)器人在采摘果樹內(nèi)部的果實時，機(jī)械臂的后關(guān)節(jié)不可避免的要深入果樹的內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，會與枝葉發(fā)生碰撞，如果機(jī)械臂沒有感知碰撞力大小程度的功能，當(dāng)其撞上較粗的樹枝時就沒有能力做出判斷，那么這種碰撞即可對果樹和機(jī)器人都帶來損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，在伸縮臂上設(shè)置碰撞感知部分實現(xiàn)了對外界的碰撞感知。技術(shù)方案本發(fā)明包括驅(qū)動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片、至少一個彈簧組件和至少一個開關(guān)組件；其中碰撞片設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分沿軸向的外部，開關(guān)組件設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件的高度大于開關(guān)組件的高度。所述驅(qū)動伸縮部分包括交流伺服電機(jī)、架體、導(dǎo)桿、絲杠、螺母件和伸縮桿；其中 交流伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠運(yùn)動，絲杠的兩端設(shè)有架體，絲杠的兩端固定在架體內(nèi)，螺母件套接在絲杠上構(gòu)成了絲杠螺母機(jī)構(gòu)，導(dǎo)桿套接在螺母件上，伸縮桿固定在螺母件上，碰撞片設(shè)置于絲杠的軸向方向。絲杠的自轉(zhuǎn)使得螺母件在導(dǎo)桿的定向作用下進(jìn)行前后移動，伸縮桿和螺母件一同動作，實現(xiàn)伸縮功能。所述絲杠的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體內(nèi)，向心推力軸承用于承受絲桿在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的軸向力和徑向力。所述架體上設(shè)有支撐架，伸縮桿套接在支撐架內(nèi)，使得伸縮桿的伸縮動作定向進(jìn)行。所述彈簧組件包括圓柱卡片、彈簧支撐架、導(dǎo)柱和壓縮彈簧；其中彈簧支撐架上設(shè)有光孔，導(dǎo)柱依次套接在壓縮彈簧和彈簧支撐架的光孔內(nèi)，導(dǎo)柱的頂端和碰撞片固定相連，底端和圓柱卡片通過螺釘固定相連，壓縮彈簧固定在彈簧支撐架上，圓柱卡片設(shè)置于彈簧支撐架的底部。所述彈簧支撐架上的光孔直徑小于圓柱卡片的圓柱直徑，導(dǎo)柱依靠彈簧支撐架上的光孔進(jìn)行對壓縮彈簧的壓縮定向，導(dǎo)柱和圓柱卡片固定相連，圓柱卡片的直徑大于光孔直徑是為了限制導(dǎo)柱連接的碰撞片不會因為壓縮彈簧的預(yù)緊力使其從架體上飛出去，從而限定了碰撞片的活動空間。所述開關(guān)組件包括微動開關(guān)和微動開關(guān)支架，微動開關(guān)固定在微動開關(guān)支架上， 微動開關(guān)支架固定在架體上，微動開關(guān)的的高度小于相應(yīng)的碰撞片的高度。所述碰撞感知部分有三組，每組碰撞感知部分包括一個碰撞片、四個彈簧組件和兩個開關(guān)組件，一個碰撞片設(shè)置于架體沿軸向的外部，一個碰撞片的兩端分別設(shè)有兩個彈簧組件，一個開關(guān)組件設(shè)置于兩個彈簧組件之間。本發(fā)明工作時，壓縮彈簧的一端由于預(yù)緊力將相應(yīng)的碰撞片頂起，壓縮彈簧的另一端壓在彈簧支撐架上，當(dāng)碰撞片受到較大壓力碰撞后，壓縮彈簧隨著導(dǎo)柱的移動向下收縮，直至碰撞片壓到其下的微動開關(guān)動作為止，這時，微動開關(guān)發(fā)信號給機(jī)器人控制系統(tǒng)， 提示該方向上碰到危險障礙，機(jī)械臂應(yīng)該停止在這個方向上的運(yùn)動，重新規(guī)劃采摘路徑，選擇其他方向進(jìn)行采摘。有益效果本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，能夠提高機(jī)器人整體的采摘效率和成功率，避免機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)時的危險碰撞，保護(hù)機(jī)器人及果樹的安全。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的驅(qū)動伸縮部分的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的彈簧組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的開關(guān)組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。 如圖1、圖2和圖3所示，本實施例整體安裝在采摘機(jī)器人機(jī)械臂最后的關(guān)節(jié)處，用
4連接法蘭1和最后的關(guān)節(jié)的驅(qū)動輸出端固聯(lián)，本實施例包括驅(qū)動伸縮部分和三組碰撞感知部分，三組碰撞感知部分分別設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分的沿軸向的頂端、左端和右端，每組碰撞感知部分包括一個碰撞片11、四個彈簧組件9和兩個開關(guān)組件10，一個碰撞片11設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分的架體沿軸向的外部，一個碰撞片11的兩端分別設(shè)有兩個彈簧組件9，一個開關(guān)組件10設(shè)置于兩個彈簧組件9之間，即每個碰撞片11的兩端在架體上各安裝一個開關(guān)組件10，每個開關(guān)組件10配合兩個彈簧組件9使用。驅(qū)動伸縮部分的下方有收集果實的裝置，沒有空間來安裝碰撞感知部分。以驅(qū)動伸縮部分的左端為例，驅(qū)動伸縮部分包括交流伺服電機(jī)2、架體3、兩根導(dǎo)桿4、絲杠5、螺母件6、支撐架8和伸縮桿7 ；其中交流伺服電機(jī)2固定在架體3上并驅(qū)動絲杠5動作，絲杠5的兩端設(shè)有架體3，絲杠5的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體3內(nèi)，螺母件6套接在絲杠5上構(gòu)成了絲杠螺母機(jī)構(gòu)，導(dǎo)桿4分別套接在螺母件6的兩端， 伸縮桿7固定在螺母件6上，螺母件6在導(dǎo)桿4的定向作用下進(jìn)行前后移動，架體3上設(shè)有支撐架8，支撐架8上設(shè)有直線軸承，伸縮桿7套接在支撐架8的直線軸承內(nèi)，對伸縮桿7的伸縮動作起到定向支撐和減少摩擦的作用，碰撞片11設(shè)置于沿絲杠5軸向的架體3右端的外部，絲杠5的自轉(zhuǎn)使得螺母件6在導(dǎo)桿4的定向作用下進(jìn)行前后移動，伸縮桿7和螺母件 6 —同動作，實現(xiàn)了伸縮功能。如圖4所示，彈簧組件9包括壓縮彈簧16、圓柱卡片13、螺釘12、導(dǎo)柱15和彈簧支撐架14 ；其中彈簧支撐架14上設(shè)有光孔，導(dǎo)柱15依次套接在壓縮彈簧16和彈簧支撐架14的光孔內(nèi)，導(dǎo)柱15的頂端和碰撞片11固定相連，底端和圓柱卡片13通過螺釘12固定相連，壓縮彈簧16固定在彈簧支撐架14上，圓柱卡片13設(shè)置于彈簧支撐架14的底部； 彈簧支撐架14上的光孔直徑小于圓柱卡片13的圓柱直徑。以驅(qū)動伸縮部分的左端為例，彈簧組件9共有四個，絲杠5兩端的架體3上各有兩個。驅(qū)動伸縮部分的右端和左端相同設(shè)置，由于安裝空間的限制，驅(qū)動伸縮部分的上端減少一個彈簧組件9，即在絲杠5前端的架體3的上方只裝有一個彈簧組件9，相對應(yīng)的后端的架體3的上方裝有兩個彈簧組件9。本實施例中碰撞片11采用厚度為lmm-2mm的冷軋Q235鋼板制成，導(dǎo)桿4和導(dǎo)柱 15分別選用直徑為6mm和16mm的光滑圓鋼。如圖5所示，開關(guān)組件10包括微動開關(guān)17和微動開關(guān)支架18，微動開關(guān)17固定在微動開關(guān)支架18上，微動開關(guān)支架18固定在架體3上，微動開關(guān)17的的高度小于相應(yīng)的碰撞片11的高度。本實施例微動開關(guān)17的型號為MSW-11。微動開關(guān)17和機(jī)器人的控制系統(tǒng)相連，壓縮彈簧16的一端由于受到預(yù)緊力作用將相應(yīng)的碰撞片11頂起，另一端壓在彈簧支撐架14上。當(dāng)碰撞片11受到大于相應(yīng)壓縮彈簧16的預(yù)緊力之和的壓力碰撞后，壓縮彈簧16將沿著導(dǎo)柱15向下收縮，直至碰撞片11壓到其下的微動開關(guān)17動作為止，微動開關(guān)17發(fā)信號給機(jī)器人控制系統(tǒng)，提示該方向上碰到障礙物，機(jī)械臂應(yīng)該停止在這個方向上的運(yùn)動，重新規(guī)劃采摘路徑或選擇其他方向進(jìn)行采摘。彈簧組件9的個數(shù)和其本身的剛度系數(shù)和預(yù)緊力決定了機(jī)械臂對何種大小程度的碰撞力作出反應(yīng)。在實際的機(jī)器人采摘果實過程中，特別是枝葉較茂密的果樹，機(jī)械臂經(jīng)常碰到很多柔韌性好的細(xì)枝條，這時，機(jī)械臂不必對此做出反應(yīng)，即此時的機(jī)械臂的碰撞反應(yīng)力應(yīng)大于碰撞力，這樣即避免了機(jī)器人做無謂的判斷和規(guī)劃，有利于提高機(jī)器人整體的采摘效率和成功率。所以，可以根據(jù)具體采摘對象和環(huán)境的不同，通過實驗獲得相應(yīng)的對果樹或機(jī)器人有損害的臨界碰撞力，再以臨界碰撞力作為設(shè)計依據(jù)，確定相應(yīng)彈簧組件9的個數(shù)、剛度系數(shù)和預(yù)緊力。
權(quán)利要求
1.一種可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于，包括驅(qū)動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片(11)、至少一個彈簧組件(9)和至少一個開關(guān)組件(10)；其中碰撞片(11)設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分沿軸向的外部，開關(guān)組件(10) 設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件(9)的一端固定在碰撞片(11)上，另一端固定在驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件(9)的高度大于開關(guān)組件(10)的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述驅(qū)動伸縮部分包括交流伺服電機(jī)(2)、架體(3)、導(dǎo)桿(4)、絲杠(5)、螺母件(6)和伸縮桿(7)；其中交流伺服電機(jī)⑵驅(qū)動絲杠(5)運(yùn)動，絲杠(5)的兩端設(shè)有架體(3)，絲杠(5)的兩端固定在架體(3)內(nèi)，螺母件(6)套接在絲杠(5)上構(gòu)成了絲杠螺母機(jī)構(gòu)，導(dǎo)桿(4)套接在螺母件(6)上，伸縮桿(7)固定在螺母件(6)上，碰撞片(11)設(shè)置于絲杠(5)的軸向方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述絲杠(5) 的兩端分別通過向心推力軸承軸向固定在架體(3)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述架體(3) 上設(shè)有支撐架(8)，伸縮桿(7)套接在支撐架(8)內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述彈簧組件(9)包括圓柱卡片(13)、彈簧支撐架(14)、導(dǎo)柱(15)和壓縮彈簧(16)；其中彈簧支撐架(14)上設(shè)有光孔，導(dǎo)柱(15)依次套接在壓縮彈簧(16)和彈簧支撐架(14)的光孔內(nèi)，導(dǎo)柱(15)的頂端和碰撞片(11)固定相連，底端和圓柱卡片(13)通過螺釘(12)固定相連，壓縮彈簧(16)固定在彈簧支撐架(14)上，圓柱卡片(13)設(shè)置于彈簧支撐架(14)的底部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述彈簧支撐架(14)上的光孔直徑小于圓柱卡片(13)的圓柱直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，其特征在于所述開關(guān)組件(10)包括微動開關(guān)(17)和微動開關(guān)支架(18)，微動開關(guān)(17)固定在微動開關(guān)支架(18) 上，微動開關(guān)支架(18)固定在架體(3)上，微動開關(guān)(17)的的高度小于相應(yīng)的碰撞片(11) 的高度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可感知碰撞的采摘機(jī)器人伸縮臂，包括驅(qū)動伸縮部分和至少一組碰撞感知部分，所述碰撞感知部分包括至少一個碰撞片、至少一個彈簧組件和至少一個開關(guān)組件；碰撞片設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分沿軸向的外部，開關(guān)組件設(shè)置于驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件的一端固定在碰撞片上，另一端固定在驅(qū)動伸縮部分的端部，彈簧組件的高度大于開關(guān)組件的高度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，能夠提高機(jī)器人整體的采摘效率和成功率。
文檔編號B25J19/00GK102150510SQ20111007056
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者馮虎, 劉桂芝, 李小笠, 楊文亮, 王剛, 童桂, 郁漢琪 申請人:南京工程學(xué)院